Nos últimos anos, um crescente interesse tem surgido na busca por tecnologias alternativas capazes de minimizar as mudanças nas características nutricionais e sensoriais dos alimentos inerentes ao processo térmico aplicado. O objetivo do estudo foi avaliar o efeito do aquecimento por micro-ondas (MO, 65 e 75 ◦C por 15, 30 e 60s) no perfil de ácidos graxos e compostos orgânicos voláteis (COVs) de uma bebida mista de suco de laranja e leite (BMSLL). Bebidas pasteurizadas convencionalmente (75ºC/15s) e não tratadas foram usadas como controles. Os lipídios foram identificados e quantificados por CG–MS. Foram calculados: índice aterogênico (IA), índice trombogênico (IT), ácidos graxos desejados (AGD) e ácidos graxos saturados hipercolesterolêmicos (AGSH). Os COVs foram identificados por CG-MS através dos índices de retenção linear. As bebidas tratadas por MO apresentaram maior concentração de ácido graxo de cadeia média (AGCM) e menor de cadeia longa (AGCL) e monoinsaturado (AGMI), resultando em maior IA e menor AGD quando comparadas ao produto pasteurizado (p<0,05). Entretanto, quando comparadas a bebida não tratada, apresentaram menores IA e IT, maior teor de AGD (p<0,05), e não diferiram em relação ao AGSH (p>0,05). Em especial, as amostras MO 65ºC e 75ºC/60s exibiram perfil de ácidos graxos e índices de saúde semelhantes aos do produto não tratado. Entretanto, as amostras submetidas à condição mais drástica (MO 75ºC/60s) apresentaram COVs que podem afetar negativamente as características sensoriais do produto, além de não apresentarem outros importantes por doar o aroma de laranja (citral, derivado de carotenoides), toranja e frutado. Já as amostras tratadas por MO 65ºC/60s apresentaram COVs responsáveis pelo aroma doce e frutado não presentes no produto não tratado, e não apresentaram compostos responsáveis por impactar negativamente o aroma. Conclui-se que o MO pode ser uma alternativa à pasteurização convencional para processamento de BMSLL, principalmente em condições mais brandas.